CN101616836B - 对开路面制动期间的转向控制 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆转向系统的电动助力转向控制方法，用于在对开路面制动操作中辅助司机控制车辆。所述转向系统以代表车辆校正转向角的至少一个操作变量为基础提供辅助，所述校正转向角通过司机反馈控制器加入主辅助转矩中，所述方法适合于使用车辆偏航力矩的估计值作为所述操作变量，通过对车辆相对侧上的车轮的速度进行处理来确定所述偏航力矩。

Description

对开路面制动期间的转向控制

技术领域

本发明涉及具有电动助力转向系统(EPAS)的车辆在称作对开路面(split-mu)制动操作的情况下行驶时转向控制方面的改进。

背景技术

电动转向系统在本领域众所周知。典型地，方向盘通过齿条小齿轮变速箱与一个或多个车轮相连。转矩传感器测量司机施加给方向盘的转矩并且将其转换为用于驱动与转向轴相连的电动机的辅助转矩信号，所述转向轴附接在变速箱上。电动机施加通常在一定意义上与司机所施加转矩一样的转矩，从而辅助司机转动方向盘。

其它已知的电动助力系统包括电动液压系统，其中，在电子控制系统的至少部分控制下通过液压装置提供助力。

在车辆制动时，在一些情况下，产生的作用力会导致不希望的反作用力施加给转向系统。在最好情况下，这些可以通过方向盘感觉到，当作用力使方向盘运动时，方向盘给司机带来不舒适感以及可能令人担忧的感觉。在最坏情况下，作用力会使汽车失衡，导致车辆失去控制。

发生这样问题的一种情况称作对开路面制动情况。在这种情况下，制动转矩对每个车轮来说都不相同。这在制动刚刚开始期间，例如刚刚施加制动之后尤为明显。此时，作用在车轮上的作用力会导致转向系统中的作用力将汽车拉向一侧。短时间后，汽车会被向反方向拉回，直到转向系统中的作用力在车轮达到其固有中心点时抵消。初始拉动会相当猛烈，并且导致司机措手不及。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于车辆转向系统的电动助力转向控制方法，所述转向系统设置成在对开路面制动操作期间辅助司机控制车辆，所述辅助以代表车辆校正转向角的至少一个操作变量为基础，所述校正转向角通过司机反馈控制器加入主辅助转矩中，其中，所述方法适合于使用车辆偏航力矩的估计值作为所述操作变量，所述偏航力矩通过对车辆相对侧上的车轮的速度进行处理来确定，所述方法还包括在车辆开始制动操作时获得所述车轮速度，并且把在ABS系统开始操作之后获得的任何车轮速度测量值忽略不计，所述偏航力矩在对施加到车轮上的制动力不进行任何测量的情况下获得。

通过由车轮速度得到偏航力矩，所述方法不依赖于获得的ABS信号或惯性传感器。车轮速度测量值通常可由车辆信号总线直接获得，并且这样可以容易且可靠的读取。

该方法可以包括测量或以其它方式获得车辆左前轮和右前轮的速度估计值，使差值乘以常数来得到前轮的车轮速度差，并且用上述结果除以车辆轮距。

该方法可以包括使制动偏航力矩乘以增益以得到校正转向角。

该方法可以包括获得车辆制动操作开始时的车轮速度。众所周知，ABS系统包括出现以表示对开路面制动的标志，这可用于促使所述方法获得车轮速度。

该方法可以把在ABS系统开始操作之后获得的任何车轮速度测量值忽略不计，我们希望系统操作至少部分地撤去由所述ABS系统施加给一个或两个前轮的压力。此后，在制动开始阶段获得的初始值可以继续使用。

申请人认识到，只有速度测量值能够可靠地表示在制动刚开始阶段作用于车轮上的摩擦水平。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于车辆的电动助力转向装置，包括：

转向机构，其将方向盘可操作地连接到车辆车轮上；

转矩感应装置，其适合于产生输出信号，所述输出信号代表由司机施加到转向机构的一部分上的转矩；

第一信号处理装置，其适合于确定作为转矩传感器的输出信号的函数的辅助转矩，所述辅助转矩应用于所述转向机构以帮助司机转动方向盘；

第二信号处理装置，其适合于基于至少一个代表车轮校正转向角的操作变量确定车辆的偏航力矩，所述校正转向角被加入主辅助转矩中；并且

其中，所述转向装置适合于将车辆的偏航力矩估计值作为所述操作变量使用，所述偏航力矩通过对车轮速度确定装置的输出进行处理而获得，所述车轮速度确定装置确定车辆相对侧上的车轮的速度，在对施加到车轮上的制动力不进行任何测量的情况下，所述第二信号处理装置利用在制动开始期间并且在任何ABS系统激活之前获得的速度测量值确定偏航力矩值。

车轮速度确定装置可以包括传感器，该传感器与要确定其速度的每个车轮相关。多数情况下，这种传感器已经作为防抱死制动系统的一部分。因此，来自这些传感器的信号(通过车辆CAN总线获得)可以包括所需要的车轮速度确定装置。

第二信号处理装置可以利用在制动初始阶段获得的速度测量值确定偏航值。它只能使用在制动情况已经开始之后，在任何ABS系统激活之前获得的数值。这是因为在ABS开始之后，由于每个车轮会长时间承受相同制动力，车轮速度会显著变化。

车轮速度信号可以对应于附接到例如四轮汽车的车辆的前部上的或者例如载重汽车驾驶室或拖车的多轴车辆的前轴上的两个车轮中的每一个的相应速度。

转向装置可以包括存储器，其中存有表示一个或多个下列参数的值：

装配有该转向装置的车辆的重量；

车辆轮距，即，车轮间距；

转向系统的几何参数。

附图说明

现在将参照附图仅以举例方式进行说明，其中：

图1是根据本发明的转向组件的示意图；

图2是概括转向组件控制方法的框图；

图3(a)是从侧面观察，在制动期间作用于车轮上的作用力的示意图，图3(b)是从前面观察的同一车轮的示意图；

图4(a)-4(c)显示了在对开路面制动操作下存在于转向装置中的作用力；

图5是用于给转向装置施加助力以提供车辆稳定性的控制方法的第一方案的更详细示意图；

图6是用于给转向施加助力以提供车辆稳定性的控制方法的第二方案的更详细示意图；和

图7是车轮的简单受力图。

具体实施方式

图1中显示了电动助力转向组件。该设备包括电动机1，该电动机通过(可选的)齿条小齿轮型变速箱对驱动轴2起作用。驱动轴终止于蜗轮4，其与设置在转向柱5一部分上的车轮或者操作连接到转向柱上的轴相配合。所述设备使得司机感受到通过变速箱施加给转向柱的任何作用力，要求司机施加恒定的小校正转矩以保持直线。显而易见的是，本发明的这个实施例用于至少部分地补偿这一拉力。

转向柱安装有转矩传感器6，其适合于测量由转向柱施加的转矩。该转矩由转动方向盘的司机产生，以进行转弯或抵消将车辆向一侧拉的拉力。来自这个传感器的输出信号T提供给形式为数字信号处理器7的信号处理装置。

角速度传感器8也设置在转向柱上。在一些结构中，角速度传感器可以和转矩传感器6组合成单个装置。这产生表示方向盘角速度(即，司机以多快的速度转动方向盘)的输出信号v。

还设置有测量车辆道路速度V的车速传感器9。该车辆道路速度V也提供给信号处理装置7。

信号处理装置根据图2示意性显示的方法对被测信号进行处理。这种方法的目的是给司机提供助力以在对开路面制动期间保持车辆稳定。

当在车辆左侧的车轮行驶在与右侧车轮具有不同摩擦系数的道路上的情况下给车辆施加压力时，发生对开路面制动操作。如果车轮在低摩擦系数路面(low mu surface)上，它会比在高摩擦系数路面上更快地减速。当车轮减速时，由于车轮惯性，它将试图继续旋转。这会产生抵抗制动转矩的转矩(反作用转矩)。

在许多车辆中，转向轴线和车轮旋转平面之间的角度(夹角)不为零。非零夹角导致反作用转矩经过转向轴线耦合，从而产生转向转矩。图3显示了从侧面(3a)和前面(3b)观察，作用于车轮20和麦弗逊支柱式悬吊系统22上的这些作用力。

图4a-4c显示了这些作用力在对开路面制动操作期间的影响。首先，如图4a所示，初始制动期间的车轮减速在对开路面上大于在高摩擦系数路面上。这使耦合到转向装置中的反抗转矩变得不稳定，导致车辆转向高摩擦系数路面。当然，这种初始转向的方向主要取决于转向系几何参数，对于不同几何参数来说可以等同地转向另外的方向。

在初始制动操作之后短时间内，由左右车轮之间的制动力不匹配引起的″自动定心″转矩存在不平衡现象。高摩擦系数侧的较高制动力导致车辆朝向低摩擦系数路面转向。图4(b)显示了这种情况。

在更长一段时间之后，假设车辆仍然制动，转向稳定在使自动定心转矩平衡的角度。图4(c)显示了这种情况。

图5所示控制方法包括产生施加给转向装置的转向角，从而对这种自动定心作用进行校正，并帮助司机控制车辆。

第一步，测量左前车轮和右前车轮的速度。对它们进行微分以得到每个车轮的减速度。

两个减速度值提供给确定所述数值之差的差分模块。

在下一个模块中，差值乘以增益分布抑制增益(Dist.Rejectiongain)并且提供给比较模块的一个输入。这个模块具有三个输入。一个接收相乘后的差值。第二个接收转向角度值，第三个接收转向角度的实际测量值。该模块将差值和转向角度需求加在一起并减去转向角度。该模块产生误差角形式的输出，表示希望角度和实际角度之差。

角度误差值输送到转向角控制器，该控制器由此求出转矩需求信号。转矩需求是用于例如电动机的致动器的控制信号，所述致动器给转向机构施加表示转矩需求的转矩。

可以看出，实际转向角的测量是最后一步，通过将其返回角度误差确定模块来形成负反馈环路。因此，这种系统会减小误差角。

图6显示了可选方案。这种方法基本上相同，只是分布抑制信号在转向角控制器之后引入。因此，这求出转矩值，而不是求出角度值。

在两种方法中，通过测量车轮速度求出车辆的偏航力矩。在下文对这种推导的基础进行阐述，其中，依赖于几个假设。在这个实例中，设定下列假设：

1.车辆制动，因此，驱动转矩T_d＝0。

2.车轮上的横向力与纵向动力完全解耦。

3.制动力T_b在开始制动时，即在压力撤去之前对左右车轮来说相同。

4.惯性J对左右车轮来说相同。

5.制动力前后分配为60％∶40％。

6.制动期间的纵向重量转移忽略不计。

如图2所示，利用接收车轮加速度(本身通过测量车轮速度获得)和整体车辆速度作为其输入的控制器得到偏航力矩。

图7显示了车轮的自由体受力图。对自由体受力图中的作用力求和，得到：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=T_d-T_b-F_{x}r---\left(1\right)$

对每个车轮展开，设定T_d＝0，并且注意：

F_x＝μF_N                                 (2)

得出

$\left.\begin{array}{c}{J}_L{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_L=-T_{\mathrm{bL}}-{\mathrm{\μ}}_L{F}_{\mathrm{NL}}r\\ J_R{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_R=-T_{\mathrm{bR}}-{\mathrm{\μ}}_R{F}_{\mathrm{NR}}r\end{array}\right)\begin{array}{c}---\left(3\right)\\ ---\left(4\right)\end{array}$

其中，下标L和R分别表示左右车轮。假设车轮惯性和法向力相同，制动转矩在开始制动时对左右车轮来说相同，随后(4)-(3)，得到：

$\mathrm{\δ\μ}={\mathrm{\μ}}_L-{\mathrm{\μ}}_R=\frac{J({\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_L-{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_R)}{F_{N}r}---\left(5\right)$

注意：这个等式只在制动开始时，在ABS滑动控制开始之前成立。这里确定的值适用于制动期间。

接下来，对整个车辆来说：

F_x＝ma_x；F_N＝mg                   (6)

随后代入(2)，得到：

$\mathrm{\μ}=\frac{a_x}{g}---\left(7\right)$

其中，a_x是车辆减速度。这表明，如果加速度以″g″测量的话，平均摩擦水平等于车辆加速度。

人们认识到，μ的表达式表示车辆受到的平均摩擦系数，有可能确定包含每个车轮处摩擦系数的表达式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}=\frac{a_x}{g}=\frac{{\mathrm{\μ}}_L+{\mathrm{\μ}}_R}{2}---\left(8\right)$

通过计算平均摩擦系数和摩擦系数差，可以通过下列公式获得单个摩擦系数：

${\mathrm{\μ}}_L=\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}+\frac{\mathrm{\δ\μ}}{2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\μ}}_R=\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}-\frac{\mathrm{\δ\μ}}{2}---\left(10\right)$

通过先前的计算，可以得到作用于车辆上的合力：

F_veh＝ma_x                         (11)

并且利用制动力分配，每个前后车轮上的平均作用力为：

F_F＝0.6F_veh/2                     (12)

F_R＝0.4F_veh/2                     (13)

随后可以确定每个车轮上的合力。通过下式获得例如前轮上的合力：

$F_{\mathrm{FL}}=\left\{\begin{array}{c}{F}_F+{\mathrm{\&mu;}}_L{F}_F;{\mathrm{\&mu;}}_L>{\mathrm{\&mu;}}_R\\ F_F-{\mathrm{\&mu;}}_L{F}_F;{\mathrm{\&mu;}}_L<{\mathrm{\&mu;}}_R\end{array}\right\};$ $F_{\mathrm{FR}}=\left\{\begin{array}{c}{F}_F-{\mathrm{\&mu;}}_R{F}_F;{\mathrm{\&mu;}}_L>{\mathrm{\&mu;}}_R\\ F_F+{\mathrm{\&mu;}}_R{F}_F;{\mathrm{\&mu;}}_L>{\mathrm{\&mu;}}_R\end{array}\right\}---\left(14\right)$

最终，偏航力矩为：

M_Ψ＝a(F_FL-F_FR)+b(F_RL-F_RR)                (15)

其中，a和b是从分别从前后轴到重心的距离。

应当注意，这里做了进一步假设，由后轴产生的偏航力矩为零或者小到忽略不计。

Claims (9)

1.一种用于车辆转向系统的电动助力转向控制方法，所述车辆转向系统设置成在对开路面制动操作期间辅助司机控制车辆，这种辅助以代表车辆的校正转向角的至少一个操作变量为基础，所述校正转向角通过司机反馈控制器加入主辅助转矩中，其中，所述方法适合于使用车辆偏航力矩的估计值作为所述操作变量，通过对车辆的相对侧上的车轮的速度进行处理来确定所述偏航力矩，所述方法还包括在车辆开始制动操作时获得所述车轮速度，并且把在ABS系统开始操作之后获得的任何车轮速度测量值忽略不计。

2.如权利要求1所述的电动助力转向控制方法，还包括测量或以其它方式获得车辆左前轮和右前轮的速度估计值，使差值乘以一常数来得到两个前轮的车轮速度差，并且用上述结果除以车辆轮距。

3.如权利要求1或2所述的电动助力转向控制方法，还包括使偏航力矩乘以一增益以得到所述校正转向角。

4.一种车辆电动助力转向装置，包括：

转向机构，其将方向盘能操作地连接到车辆车轮上；

转矩感应装置，其适合于产生输出信号，所述输出信号代表由司机施加到转向机构的一部分上的转矩；

第一信号处理装置，其适合于确定作为转矩传感器的输出信号的函数的辅助转矩，所述辅助转矩应用于所述转向机构以帮助司机转动方向盘；

第二信号处理装置，其适合于基于至少一个代表车辆校正转向角的操作变量来确定车辆的偏航力矩，所述校正转向角被加入主辅助转矩中；并且

其中，所述电动助力转向装置适合于将车辆的偏航力矩估计值用作所述操作变量，所述偏航力矩通过对车轮速度确定装置的输出进行处理而获得，所述车轮速度确定装置确定车辆相对侧上的车轮的速度，所述第二信号处理装置利用在制动开始期间并且在任何ABS系统激活之前获得的速度测量值确定偏航力矩值。

5.如权利要求4所述的电动助力转向装置，其中，所述车轮速度确定装置包括传感器，该传感器与要确定速度的每个车轮相关联。

6.如权利要求4所述的电动助力转向装置，其中，所述车轮速度的信号对应于附接到车辆的前部上的或者附接到多轴车辆的前轴上的两个车轮中每一个车轮的相应速度。

7.如权利要求6所述的电动助力转向装置，其中，所述车辆是四轮汽车。

8.如权利要求6所述的电动助力转向装置，其中，所述多轴车辆是载重汽车或拖车。

9.如权利要求4所述的电动助力转向装置，包括存储器，其中存有表示一个或多个下列参数的值：

装配有该转向装置的车辆的重量；

车辆轮距，即，车轮间距；

转向系统的几何参数。

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